船舶制造項(xiàng)目倉(cāng)儲(chǔ)管理MAS系統(tǒng)

韓端鋒，周青驊，李敬花，楊博歆

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

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船舶制造項(xiàng)目倉(cāng)儲(chǔ)管理MAS系統(tǒng)

韓端鋒，周青驊，李敬花，楊博歆

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

大型船舶制造企業(yè)存在多倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)物流協(xié)調(diào)不佳、廠內(nèi)配送能力相互制約等問(wèn)題，本文引入多智能體系統(tǒng)中的協(xié)商機(jī)制構(gòu)建倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)。根據(jù)倉(cāng)儲(chǔ)活動(dòng)流程和問(wèn)題模型，進(jìn)行了倉(cāng)儲(chǔ)多智能體系統(tǒng)的原型設(shè)計(jì)和功能模塊映射，確定了各智能體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和通信模型，并設(shè)計(jì)了倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)協(xié)商機(jī)制和算法，最終開發(fā)實(shí)現(xiàn)了兼容B/S架構(gòu)的倉(cāng)儲(chǔ)群管理多智能體系統(tǒng)原型。系統(tǒng)運(yùn)行表明，使用agent代理倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)協(xié)商，能夠進(jìn)行有效的船企物流自動(dòng)調(diào)度管理，驗(yàn)證了多智能體技術(shù)在船舶制造項(xiàng)目倉(cāng)儲(chǔ)管理上的可行性，為船企智能化管理提供了思路。

船舶制造項(xiàng)目；物流管理；倉(cāng)儲(chǔ)管理；分布式倉(cāng)儲(chǔ)；倉(cāng)儲(chǔ)問(wèn)題模型；任務(wù)協(xié)商；多智能體；管理系統(tǒng)

船舶制造具有小批量、大結(jié)構(gòu)、嚴(yán)格按照訂單等生產(chǎn)的特點(diǎn)，需要較大容量的倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)以滿足對(duì)項(xiàng)目生產(chǎn)過(guò)程中的物資冗余度要求[1]。船企倉(cāng)儲(chǔ)類型有多種，對(duì)于露天堆場(chǎng)的倉(cāng)儲(chǔ)管理問(wèn)題的研究主要集中在堆場(chǎng)內(nèi)結(jié)構(gòu)件的排布優(yōu)化上[2]；對(duì)于室內(nèi)倉(cāng)儲(chǔ)問(wèn)題的研究，主要集中在出入庫(kù)、利庫(kù)(剩余物料跨項(xiàng)目再利用)的流程上，對(duì)復(fù)雜出入庫(kù)情況進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算[3](包括推-拉生產(chǎn)方式)。船企中，不同倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)間存在競(jìng)爭(zhēng)和沖突，需要與物資管理系統(tǒng)進(jìn)行有效結(jié)合以協(xié)調(diào)倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)活動(dòng)，避免倉(cāng)儲(chǔ)和物流能力浪費(fèi)。

國(guó)內(nèi)外在倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度管理方面已有較多研究成果，如倉(cāng)儲(chǔ)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)化管理[4]、使用算法進(jìn)行倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度優(yōu)化[5]、供需結(jié)合的倉(cāng)儲(chǔ)管理[6]、倉(cāng)儲(chǔ)活動(dòng)決策系統(tǒng)的建立[7]、面向料單的倉(cāng)儲(chǔ)配送[8]以及多倉(cāng)儲(chǔ)和多生產(chǎn)點(diǎn)條件下的倉(cāng)儲(chǔ)選擇等。但對(duì)廠內(nèi)物流能力等資源沖突情況下的倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)作缺乏考量。

由于倉(cāng)儲(chǔ)在船企內(nèi)的地理分布特性，船舶制造項(xiàng)目倉(cāng)儲(chǔ)問(wèn)題是一個(gè)分布式問(wèn)題，從提高自動(dòng)化程度和倉(cāng)儲(chǔ)效率的角度來(lái)看，分布式人工智能(distributed artificial intelligence，DAI)技術(shù)匹配了該類問(wèn)題求解的大部分特征，具有較好的預(yù)期[9]；而多智能體系統(tǒng)(multi-agent system，MAS)是DAI領(lǐng)域所應(yīng)用的比較成熟的技術(shù)之一。數(shù)字軟件上的智能體Agent，是指駐留在某一環(huán)境下能夠自主﹑靈活地執(zhí)行動(dòng)作以滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的行為實(shí)體；由多個(gè)Agent彼此互相通信并為完成共同目標(biāo)協(xié)同工作組成的系統(tǒng)被稱為多智能體系統(tǒng)(multi-agent system， MAS)[10]。文獻(xiàn)[11]中即使用Agent用于倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)虛擬化設(shè)計(jì)，對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)進(jìn)程中各因素影響進(jìn)行評(píng)估。在倉(cāng)儲(chǔ)管理方面，國(guó)外在2004年即開始利用智能Agent技術(shù)設(shè)計(jì)或改進(jìn)倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)[12]；國(guó)內(nèi)也進(jìn)行了MAS技術(shù)在倉(cāng)儲(chǔ)管理上的應(yīng)用研究[13-14]并取得了一些研究成果。

為此，本文利用多智能體技術(shù)構(gòu)建具備一定智能程度的、適用于船舶制造企業(yè)的倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)，以期提高船企倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)的魯棒性，并能兼容船企已有的項(xiàng)目管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)集成和數(shù)據(jù)共享，提高生產(chǎn)自動(dòng)化程度。

1 船舶項(xiàng)目倉(cāng)儲(chǔ)問(wèn)題模型

1.1 船舶項(xiàng)目倉(cāng)儲(chǔ)活動(dòng)概述

船舶制造企業(yè)中，一般設(shè)立多個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)以滿足生產(chǎn)需要，其中部分庫(kù)房為特定種類物料所設(shè)置，多數(shù)倉(cāng)儲(chǔ)場(chǎng)所之間物料可以相互流通。根據(jù)船舶倉(cāng)儲(chǔ)活動(dòng)的特點(diǎn)，船企倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的問(wèn)題主要集中在倉(cāng)儲(chǔ)任務(wù)的選擇與調(diào)度上。主要的倉(cāng)儲(chǔ)活動(dòng)問(wèn)題有：1)根據(jù)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)需要入庫(kù)的物料量，進(jìn)行倉(cāng)儲(chǔ)任務(wù)調(diào)度；2)根據(jù)物料特性(部分物料指定倉(cāng)庫(kù))進(jìn)行倉(cāng)儲(chǔ)任務(wù)調(diào)度；3)根據(jù)庫(kù)容量安排倉(cāng)儲(chǔ)任務(wù)；4)根據(jù)物流路徑的承運(yùn)能力安排倉(cāng)儲(chǔ)任務(wù)。

1.2 倉(cāng)儲(chǔ)管理角色

根據(jù)船舶或海洋工程裝備項(xiàng)目的生產(chǎn)特點(diǎn)，將船企內(nèi)部各個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)場(chǎng)地簡(jiǎn)化成具有多個(gè)出入口和一定容量的倉(cāng)儲(chǔ)單元以建立模型。倉(cāng)儲(chǔ)單元包括：

1)倉(cāng)儲(chǔ)群：指船企內(nèi)部包括庫(kù)房及堆場(chǎng)等所有具有倉(cāng)儲(chǔ)功能的場(chǎng)地集群；2)倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)：指船企內(nèi)部具有倉(cāng)儲(chǔ)能力的場(chǎng)所單元，如單個(gè)庫(kù)房或堆場(chǎng)為一個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)；3)路徑：連接各個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)之間的物流路徑。單位時(shí)間內(nèi)路徑上的物料運(yùn)輸量稱為路徑通量；路徑通量和路徑長(zhǎng)度是路徑的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.3 倉(cāng)儲(chǔ)問(wèn)題模型單元

從船企效益的角度出發(fā)，庫(kù)存優(yōu)化是以實(shí)現(xiàn)最小成本進(jìn)行體現(xiàn)的；在具體執(zhí)行上則以減少物流成本和縮短物流時(shí)間為優(yōu)化目標(biāo)。物資在倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)節(jié)流轉(zhuǎn)中，主要受倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)容量以及配送路徑通量的限制，不可無(wú)視物流承載力和庫(kù)容任意存取物料。由此，倉(cāng)儲(chǔ)問(wèn)題優(yōu)化的目標(biāo)應(yīng)為：結(jié)合實(shí)際需要，以盡量短的物料路徑盡快完成倉(cāng)儲(chǔ)任務(wù)，從而提高倉(cāng)儲(chǔ)周轉(zhuǎn)效率。為具體描述倉(cāng)儲(chǔ)任務(wù)，將倉(cāng)儲(chǔ)問(wèn)題模型(warehouse problem model， WPM)形式化表示為集合

WPM={WTU， WAU}

式中：WTU為倉(cāng)儲(chǔ)任務(wù)單元(warehousetaskunit)；WAU為倉(cāng)儲(chǔ)動(dòng)作單元(warehouseactionunit)。WTU和WAU各為一組屬性的集合。多個(gè)WAU共同解決同一個(gè)WTU組成了倉(cāng)儲(chǔ)問(wèn)題的解決模型。WPM模型內(nèi)的詳細(xì)內(nèi)容如圖1和表1所示。

圖1 倉(cāng)儲(chǔ)問(wèn)題模型(WPM)Fig.1 Warehouse problem model (WPM)

單元屬性含義內(nèi)容類型WTUSp倉(cāng)儲(chǔ)任務(wù)單元定義集合WTUTc本任務(wù)包單位運(yùn)輸成本數(shù)值WTURc本任務(wù)包所需庫(kù)容數(shù)值WTUSa包內(nèi)物料對(duì)應(yīng)倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)類型集合WTUTf本任務(wù)包物料運(yùn)輸通量限制數(shù)值WAUSu倉(cāng)儲(chǔ)動(dòng)作單元定義集合WAULr對(duì)應(yīng)倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)物流路徑矩陣WAUAc對(duì)應(yīng)倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)可提供庫(kù)容數(shù)值WAUMc對(duì)應(yīng)倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)可存儲(chǔ)物料類型集合WAUCr倉(cāng)儲(chǔ)動(dòng)作路徑的通量矩陣

WPM模型中系統(tǒng)工作可描述為：1)制定WAU以完成WTU；2)布置WAU以提高倉(cāng)儲(chǔ)資源利用率。

1.4 倉(cāng)儲(chǔ)群模型

倉(cāng)儲(chǔ)群模型定義了WTU和WAU的邏輯關(guān)系。首先定義模型內(nèi)參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 倉(cāng)儲(chǔ)模型參數(shù)列表

根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)特性，在船企倉(cāng)儲(chǔ)動(dòng)作中，WTU可分為入庫(kù)、出庫(kù)和移庫(kù)三類；其中入庫(kù)指物資從外部進(jìn)入倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)；出庫(kù)指外部從倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)獲取物資的過(guò)程；移庫(kù)指物資根據(jù)需要在不同倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)之間的移動(dòng)過(guò)程。倉(cāng)儲(chǔ)活動(dòng)是WTU和WAU動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果。一組倉(cāng)儲(chǔ)動(dòng)作的示意如圖2所示。

圖2 船舶項(xiàng)目中的倉(cāng)儲(chǔ)動(dòng)作示意Fig.2 Sketch of warehouse movement in shipbuilding project

在倉(cāng)儲(chǔ)群模型中，各個(gè)WAU中的路徑Lr和通量Cr兩項(xiàng)屬性通過(guò)從群模型中簡(jiǎn)化后的倉(cāng)儲(chǔ)路徑模型得到。一個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)路徑模型如圖3所示。

圖3 倉(cāng)儲(chǔ)路徑模型Fig.3 Model of warehouse movement

該倉(cāng)儲(chǔ)路徑包括5個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)或物料進(jìn)出口。以元素eij表示各節(jié)點(diǎn)間路徑的通量，得到路徑方陣為

WAU的Cr屬性即為E矩陣。在實(shí)際的物料裝車配送過(guò)程中，路徑的通量與車運(yùn)方向有關(guān)，所以eij≠eji。WAU內(nèi)的Lr屬性與之類似，方陣內(nèi)各元素為各段路徑的長(zhǎng)度，lij=lji。

在完成倉(cāng)儲(chǔ)任務(wù)的過(guò)程中，各倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)因共用路徑和物流能力等常產(chǎn)生資源沖突。因此，通過(guò)設(shè)置倉(cāng)儲(chǔ)問(wèn)題模型，將問(wèn)題簡(jiǎn)化為如何設(shè)置WAU以解決WTU；建立智能船舶制造倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)(intelligent shipbuilding warehouse management system，ISWMS)，增強(qiáng)信息管理和數(shù)據(jù)反應(yīng)能力，以提高船舶生產(chǎn)中的倉(cāng)儲(chǔ)管理效率，縮減倉(cāng)儲(chǔ)成本。

2 船舶項(xiàng)目倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)模型

倉(cāng)儲(chǔ)活動(dòng)時(shí)效性較強(qiáng)，當(dāng)吞吐量沖突發(fā)生時(shí)，需盡快完成各倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)之間的沖突協(xié)商，以避免物流材料在倉(cāng)儲(chǔ)階段的滯留。由此，ISWMS基于MAS技術(shù)構(gòu)建，各倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)的庫(kù)存活動(dòng)使用Agent代理，運(yùn)用MAS的協(xié)商機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)問(wèn)題模型中多WAU對(duì)WTU的求解。

2.1 系統(tǒng)組成

ISWMS由多個(gè)Agent和通信網(wǎng)絡(luò)共同組成。網(wǎng)絡(luò)中的Agent使用規(guī)范的語(yǔ)言進(jìn)行通訊。

2.1.1 Agent設(shè)計(jì)

典型的Agent結(jié)構(gòu)由傳感器、知識(shí)庫(kù)、處理器和動(dòng)作器幾部分組成；針對(duì)其屬性和智能程度又分反應(yīng)型、慎思型和混合型等；根據(jù)響應(yīng)速度和協(xié)調(diào)效率的要求，結(jié)合Agent的信念愿望意圖(belief desire intention,BDI)模型架構(gòu)，ISWMS中的Agent被設(shè)計(jì)為復(fù)合型Agent；結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 ISWMS中Agent結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of agents in ISWMS

2.1.2 MAS通訊

MAS系統(tǒng)中，Agent間通信方式包括黑板系統(tǒng)和消息對(duì)話方式兩種，根據(jù)通信特點(diǎn)及使用需求，應(yīng)構(gòu)建兩種通信方式兼具的通信網(wǎng)絡(luò)。其中黑板系統(tǒng)方式用以實(shí)現(xiàn)單個(gè)Agent獲取全局MAS信息；而消息對(duì)話方式用來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)Agent的協(xié)商。ISWMS中通信架構(gòu)設(shè)計(jì)在2.2節(jié)中得到體現(xiàn)。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

從當(dāng)前船舶企業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)的特點(diǎn)來(lái)看，船舶制造所需的倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)位置及數(shù)量固定，各倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)之間關(guān)系對(duì)等，沒(méi)有較復(fù)雜的內(nèi)部級(jí)聯(lián)關(guān)系，問(wèn)題求解集中在各倉(cāng)庫(kù)吞吐量的協(xié)調(diào)上。因此，ISWMS被設(shè)計(jì)為由控制層和動(dòng)作層兩層結(jié)構(gòu)組成的雙層MAS系統(tǒng)。圖5及表3展示了在ISWMS內(nèi)各Agent組成及信息交互示意。

圖5 ISWMS通信及架構(gòu)Fig.5 Communication and construction of ISWMS

Agent名稱職能描述倉(cāng)儲(chǔ)控制對(duì)全局倉(cāng)儲(chǔ)活動(dòng)進(jìn)行控制,發(fā)布WTU,評(píng)估動(dòng)作層Agent計(jì)劃任務(wù)倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)代理倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)物料活動(dòng),接收WTU并提出WAU,和其他Agent交換WAU協(xié)商物流監(jiān)控物流任務(wù)并反饋信息

2.3 系統(tǒng)協(xié)作模型

傳統(tǒng)的船企生產(chǎn)流程中，一般自頂向下，將倉(cāng)儲(chǔ)任務(wù)分配到各個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)執(zhí)行。這種庫(kù)存管理方式增加了管理層的工作量，且各子庫(kù)存信息更新不及時(shí)。因此，結(jié)合MAS使用“庫(kù)存競(jìng)投標(biāo)”這一概念，控制Agent接收到倉(cāng)儲(chǔ)群的庫(kù)存任務(wù)WTU后(寫入MAS黑板)，各倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)Agent為完成任務(wù)提出WAU，相互協(xié)商形成協(xié)作團(tuán)隊(duì)方案進(jìn)行競(jìng)投標(biāo)。倉(cāng)儲(chǔ)控制中心對(duì)各協(xié)作方案進(jìn)行評(píng)估，選擇中標(biāo)方案執(zhí)行任務(wù)，完成WTU。在ISWMS中，協(xié)作模型以如下方式進(jìn)行表述

Cooperation=，其中

M：協(xié)作管理員(cooperation manager)，協(xié)作管理員在協(xié)作過(guò)程中提出協(xié)作任務(wù)，監(jiān)控任務(wù)完成情況。ISWMS中這一角色由控制中心Agent承擔(dān)。

G：協(xié)作目標(biāo)(cooperation goal)，協(xié)作目標(biāo)由協(xié)作管理員(M)提出，包括協(xié)作目標(biāo)本身和達(dá)成目標(biāo)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。ISWMS中協(xié)作目標(biāo)即為WTU，以WTU是否完成作為協(xié)作目標(biāo)完成的標(biāo)識(shí)。

T：協(xié)作團(tuán)隊(duì)(cooperation team)，協(xié)作團(tuán)隊(duì)成員由Agent根據(jù)任務(wù)自愿加入。在ISWMS中，各Agent根據(jù)WTU定義決定是否參與，從而組成T。

P：協(xié)作計(jì)劃(cooperation plan)，對(duì)協(xié)作目標(biāo)G進(jìn)行任務(wù)分解，指定協(xié)作團(tuán)隊(duì)角色間聯(lián)系。ISWMS系統(tǒng)中，倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)Agent根據(jù)對(duì)WTU的分析，提出WAU，與其他Agent協(xié)商獲得協(xié)作計(jì)劃。

S：協(xié)作結(jié)果(cooperation solution)，協(xié)作結(jié)果是協(xié)作計(jì)劃的結(jié)果。ISWMS中為各Agent確定協(xié)作方案，將倉(cāng)儲(chǔ)動(dòng)作匯總得到的總WAU執(zhí)行序列。

ISWMS系統(tǒng)中各個(gè)Agent的協(xié)作流程和序列為：1)控制中心Agent根據(jù)WTU制定倉(cāng)儲(chǔ)群任務(wù)計(jì)劃作為MAS的協(xié)同目標(biāo)G；2)制定協(xié)同方案和協(xié)同體結(jié)構(gòu)，確定協(xié)同角色的組成及WTU發(fā)標(biāo)范圍；3)發(fā)表WTU，各功能Agent協(xié)商后形成協(xié)作團(tuán)隊(duì)；5)選擇中標(biāo)團(tuán)隊(duì)，得到團(tuán)隊(duì)的協(xié)作結(jié)果S；6) 按選擇團(tuán)隊(duì)組織相關(guān)Agent動(dòng)作達(dá)成協(xié)作目標(biāo)。根據(jù)協(xié)作模型，ISWMS內(nèi)運(yùn)行序列如圖6所示。

3 系統(tǒng)運(yùn)行流程

通過(guò)1.4節(jié)提出的倉(cāng)儲(chǔ)問(wèn)題模型，參考文獻(xiàn)[15]中提出的物流優(yōu)化方法，設(shè)計(jì)算例對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行流程和協(xié)商過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明如下：

1) 倉(cāng)儲(chǔ)控制Agent獲得倉(cāng)儲(chǔ)動(dòng)作指令，將相似屬性倉(cāng)儲(chǔ)任務(wù)歸類生成WTU，在MAS通信黑板上發(fā)布倉(cāng)儲(chǔ)任務(wù)單元WTU={Sp，Tc，Rc，Sa，Tf}；

2) 倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)Agent獲取WTU內(nèi)的任務(wù)定義Sp、庫(kù)容Rc和倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)類型Sa屬性，判定合適時(shí)制定本倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)的初始WAU并發(fā)布。WAU內(nèi)的Cr和Lr屬性通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)獲取。倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)Agent發(fā)布各自的初始WAU，并在MAS系統(tǒng)內(nèi)根據(jù)規(guī)則尋找其他參與協(xié)商的其他倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)Agent。

3) 各Agent尋找并組成具有m個(gè)WAU的協(xié)作團(tuán)隊(duì)，形成初始協(xié)作團(tuán)隊(duì)T0，及其協(xié)商得到的WAU執(zhí)行序列WAUnegotiation={WAU1， WAU2， …，WAUm}。

圖6 ISWMS協(xié)同運(yùn)行序列Fig.6 Sequence diagram of agent cooperation in ISWMS

完成條件：當(dāng)以下規(guī)則同時(shí)滿足時(shí)，完成協(xié)作團(tuán)隊(duì)的構(gòu)建工作。

①倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)可以存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)任務(wù)包的物料類型：

{Mc|WAUi}?{Sa|WTU}，i≤m

(1)

②倉(cāng)儲(chǔ)任務(wù)需要的庫(kù)容得到滿足，即

(2)

③路徑通量可滿足倉(cāng)儲(chǔ)任務(wù)的運(yùn)輸通量需求，即對(duì)協(xié)商結(jié)果總WAUT的Cr屬性，有

Cr|WAUT=(epq)n×n，?epq≥Tf|WTU

(3)

協(xié)商過(guò)程：

倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)Agent對(duì)其它Agent所持的WAU進(jìn)行協(xié)作收益的計(jì)算。包括：

①通過(guò)WAU內(nèi)的屬性判定是否協(xié)作。若雙方Agent所持WAU的Su屬性的交集為空集時(shí)，說(shuō)明任務(wù)物料種類不符，拒絕協(xié)作。

②從雙方WAU的Lr屬性出發(fā)，計(jì)算目標(biāo)Agent的協(xié)作影響。當(dāng)不同WAU之間在路徑上發(fā)生沖突時(shí)，協(xié)作收益因子u按下式計(jì)算：

(4)

式中：Lsum為協(xié)商各方所持的路徑Lr|WAU矩陣內(nèi)的所有元素和，表征參與者WAU的物流路徑總長(zhǎng)度；∑lclash為各方Lr|WAU矩陣內(nèi)重合元素值之和，表征各方倉(cāng)儲(chǔ)動(dòng)作的沖突路徑總長(zhǎng)度。u=1說(shuō)明各方WAU無(wú)沖突。

③Agent優(yōu)先選擇與自身WAU具有高協(xié)作數(shù)值的其他WAU組成團(tuán)隊(duì)，在達(dá)到完成條件時(shí)，完成初始協(xié)作團(tuán)隊(duì)T的組建工作。

4) 控制Agent收到初始團(tuán)隊(duì)T后，獲取T的協(xié)商WAUT，參考文獻(xiàn)[16]中提出的多指標(biāo)績(jī)效評(píng)估模型進(jìn)行評(píng)估。評(píng)估指標(biāo)包括：完成WTU的時(shí)間成本，完成WTU的物流成本，Agent知識(shí)庫(kù)內(nèi)基于過(guò)往經(jīng)驗(yàn)或預(yù)先定義的各項(xiàng)成本評(píng)估權(quán)重，自外集成系統(tǒng)或人工發(fā)出的干預(yù)指令。

5) 根據(jù)評(píng)估結(jié)果選擇協(xié)作團(tuán)隊(duì)后，詢問(wèn)對(duì)應(yīng)的團(tuán)隊(duì)成員Agent確定是否接收任務(wù)。

6) 各團(tuán)隊(duì)成員接受評(píng)估結(jié)果并開始調(diào)動(dòng)物流Agent執(zhí)行物流作業(yè)，一次MAS協(xié)作過(guò)程結(jié)束。

7) 控制Agent對(duì)全局倉(cāng)儲(chǔ)動(dòng)態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)某一路徑活動(dòng)通量為0時(shí)，控制Agent將對(duì)該路徑及兩端倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)Agent活動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，尋找合適的WTU并向MAS發(fā)布執(zhí)行協(xié)作作業(yè)。

4 系統(tǒng)開發(fā)驗(yàn)證

4.1 運(yùn)行平臺(tái)

系統(tǒng)開發(fā)與工信部《工信部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目》已有研究成果相結(jié)合，針對(duì)集成系統(tǒng)特性選取基于Java語(yǔ)言的多智能體開發(fā)框架平臺(tái)(Java agent development framework， JADE)，結(jié)合JADE框架自帶的FIPA-ACL智能體通信語(yǔ)言進(jìn)行ISWMS的開發(fā)。ISWMS系統(tǒng)以瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)(Browser/Server，B/S)在船企局域網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)，并與物流系統(tǒng)及進(jìn)度管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集成兼容。系統(tǒng)主要功能界面如圖7所示。

4.2 案例驗(yàn)證

從系統(tǒng)集成生產(chǎn)管理模塊中導(dǎo)入某船舶企業(yè)的24 h內(nèi)采購(gòu)到貨及生產(chǎn)計(jì)劃數(shù)據(jù)，對(duì)ISWMS原型系統(tǒng)進(jìn)行多組測(cè)試模擬倉(cāng)儲(chǔ)任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題。系統(tǒng)合并生成了4個(gè)WTU，測(cè)試過(guò)程與結(jié)果如表4-6所示，從結(jié)果可見(jiàn)，本文提出方法在多倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)沖突環(huán)境的運(yùn)行下具有較好的優(yōu)化效率。測(cè)試過(guò)程詳述如下。

圖7 ISWMS主要功能界面Fig.7 Main function interface of ISWMS

1)發(fā)布WTU。根據(jù)到貨計(jì)劃，控制中心將數(shù)個(gè)從節(jié)點(diǎn)#1入庫(kù)的倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)集合為1個(gè)WTU并發(fā)布。測(cè)試倉(cāng)儲(chǔ)群中有5個(gè)物流節(jié)點(diǎn)，起點(diǎn)為#1的倉(cāng)儲(chǔ)路徑矩陣(單位為km)為

實(shí)時(shí)通量(單位為件/h)為

2)根據(jù)WTU屬性，倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)Agent開始協(xié)商，組建協(xié)作團(tuán)隊(duì)。本輪測(cè)試過(guò)程中，4個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)Agent均在協(xié)商后提出協(xié)作團(tuán)隊(duì)。協(xié)作計(jì)劃如表4所示。

3)控制中心對(duì)各協(xié)作團(tuán)隊(duì)進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果如表5所示。表5展示了示例的評(píng)估結(jié)果。最終選擇#5倉(cāng)儲(chǔ)Agent主導(dǎo)的任務(wù)協(xié)作團(tuán)隊(duì)執(zhí)行示例WTU。

表4 協(xié)作計(jì)劃列表

表5 協(xié)作計(jì)劃評(píng)估結(jié)果

系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了研究提出的主要功能，包括：1)Java web網(wǎng)絡(luò)框架與Jade框架相整合，從web端調(diào)用Agent數(shù)據(jù)并以FIPA-ACL格式通信；2)在服務(wù)器端建立控制中心Agent，與數(shù)據(jù)庫(kù)中專門設(shè)計(jì)用于Agent黑板通信的表空間實(shí)現(xiàn)了雙向連接；3)使用多倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)Agent協(xié)商實(shí)現(xiàn)物流能力協(xié)調(diào)，并和解決物流問(wèn)題的算法庫(kù)實(shí)現(xiàn)了共用；4)MAS部分系統(tǒng)人機(jī)交互界面和登陸權(quán)限的設(shè)計(jì)；5)原型系統(tǒng)和外部系統(tǒng)的對(duì)接集成及兼容性測(cè)試。

表6 ISWMS運(yùn)行結(jié)果

5 結(jié)論

1)與其他研究中采用的船舶建造倉(cāng)儲(chǔ)集中管理模式不同，ISWMS系統(tǒng)使用多智能體中的各個(gè)agent對(duì)企業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)活動(dòng)中的各分布節(jié)點(diǎn)進(jìn)行業(yè)務(wù)代理，運(yùn)用多智能體協(xié)調(diào)機(jī)制，為多個(gè)分布式倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)協(xié)同完成倉(cāng)儲(chǔ)物流任務(wù)提供了較快的動(dòng)作方案，并兼容針對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)配送等已有問(wèn)題的解決算法和其他用于船舶制造項(xiàng)目管理的數(shù)字系統(tǒng)。

2)經(jīng)運(yùn)行測(cè)試證明，在多智能體系統(tǒng)框架上構(gòu)建的ISWMS系統(tǒng)增加了倉(cāng)儲(chǔ)管理的信息化和智能化程度，可用于輔助船舶制造企業(yè)進(jìn)行倉(cāng)儲(chǔ)管理，具有較好實(shí)用意義。

對(duì)于分布式倉(cāng)儲(chǔ)管理過(guò)程中的多代理協(xié)商及物流調(diào)度算法庫(kù)補(bǔ)充、對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)更復(fù)雜倉(cāng)儲(chǔ)問(wèn)題及更大數(shù)據(jù)量的測(cè)試及相關(guān)優(yōu)化工作，有待進(jìn)一步深入研究。

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本文引用格式：

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HAN Duanfeng，ZHOU Qinghua，LI Jinghua，et al.Multi-agent system-based warehouse management system in shipyard[J]. Journal of Harbin Engineering University， 2017， 38(5)： 661-667.

Multi-agent system-based warehouse management system in shipyard

HAN Duanfeng，ZHOU Qinghua，LI Jinghua，YANG Boxin

(College of Shipbuilding Engineering， Harbin Engineering University， Harbin 150001， China)

There have been numerous unsolved problems on warehouse management in large scale shipyards， such as inconsistent materials′ through-put and unmatched logistics. This paper introduces so-called multi-agent system′s (MASs) negotiation mechanism to model the warehouse clusters and warehouse management system. Considering the warehouse activities and problem model， the prototype of a warehouse MAS and its function mapping， as well as the negotiation mechanism and algorithm， were designed. Finally， a warehouse cluster management system， which was compatible with the B/S structure， was established. The operational results of the system verified the feasibility of the MAS application in the shipbuilding related projects′ warehouse management， and the effectiveness of the negotiation algorithm was proven， which lays a foundation for further intelligent warehouse management.

shipbuilding project; logistic management; warehouse management; distributed warehousing; warehouse problem model; task negotiation; multi-agent; management system

2015-11-27.

日期：2017-04-26.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51679059).

韓端鋒(1966-)， 男，教授，博士生導(dǎo)師； 李敬花(1973-)，女，副教授，副博士生導(dǎo)師.

李敬花，E-mail：likewalls@163.com.

10.11990/jheu.201511071

U673.2

A

1006-7043(2017)05-0661-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20170426.1041.024.html